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我校和浙大科研团队联合研发国内首款脉冲神经网络类脑芯片——它能思考,会“读心”
作者:news1 来源:校新闻中心 时间:2015-12-28 点击量:31587

  近日,我校科研团队与浙江大学团队跨学科合作,成功研发出国内首款基于硅材料(CMOS)的脉冲神经网络(SNN)类脑芯片,他有个炫酷的名字“达尔文”。研究成果在线发表于国内权威信息学期刊《中国科学:信息科学》英文版上。

  “达尔文”长得其貌不扬,看起来不过是一块大小只有一毛钱硬币四分之一的全黑塑料块,不过研发团队主要成员、我校电子信息学院马德博士却笑着告诉我们:“你看到的,是‘一个生物’。”

  “达尔文”有着极其复杂的“内心”,马德博士介绍说,在这块25平方毫米的小小芯片上,有2048个用硅材料制成的仿生神经元,可支持超过400万个神经突触和15个不同的突触延迟,四周边延伸出80根金属线,这是连接外部的引脚。“之所以被称为类脑芯片,是因为其工作原理类似于生物的神经元行为。而制造‘达尔文’的一个重要挑战是在有限的芯片面积上实现较大规模的神经元与突触个数。”

聪明的“达尔文”,能做些什么?

  在为期一年多的研发中,科研团队为“达尔文”开发了两款简单的智能应用:识别不同人手写的1到10这10个阿拉伯数字和“读懂”人脑的简单意念。现场,科研人员为我们做了简单的演示:“达尔文”在接收到科研人员的脑电波信号后,能自如地控制电脑屏幕上的篮球准确地向左或向右移动。

  马德博士解释说,“达尔文”事先经过学习训练,熟悉了操作者的脑电波,此后遇到熟悉的外界刺激,就能调动相应的神经元作出反应,形成通路,最终输出向左或向右的命令。

  近年来,智能设备越来越多,但普遍依赖传统芯片,由于其运算能力与电池蓄电量的局限性,很多小型设备往往需要调用远程的云服务来实现一些复杂的智能算法。采用脉冲神经网络的类脑芯片功耗要小得多,用电省、发热少,可以作为协处理器为小型设备提供智能算法的硬件加速,从而减少对于云服务的依赖。

  “达尔文”还有普通计算机芯片无法比拟的“独门秘笈”,它模仿生物的大脑,擅长对普通计算机不拿手的模糊信息进行处理。比如,“达尔文”可以很快地从纷杂的脑电波中找到需要的指令。“简单来说,人们在讲话时,随着情绪的变化,声调可能也会有改变,但‘达尔文’同样能分辨出说话者的声音。它靠的是神经元之间互相传递的小信息。” 浙大微电子学院朱晓雷博士解释。

“达尔文”会进化,未来它的能力将更加强大

  这块芯片取名达尔文,是因为它可以一点一点地演化、进步,在下几代产品时达到昆虫、啮齿动物甚至哺乳动物的大脑能力。。

  “‘达尔文’这样的类脑芯片,强项在于认知能力”,马德博士说,“‘达尔文’目前已经拥有视觉能力,能够做到图像识别——比如,从一堆图片中,找出汽车的图案等。同时,它已经可以作为脑机接口,团队也设想利用‘达尔文’帮助伤残人士,比如为行动不便的人配置一个头套和机械肢体,‘达尔文’通过分析脑电波,提取信息进行准确指令,机械手臂或者机械肢可以代劳。” 

  马德表示,将来,“达尔文”的工作方式会不断接近生物大脑,这是人工智能研究创新的一个方向。下一步,科研团队还将继续扩大芯片上的神经元网络规模,让“达尔文”拥有其他感官功能,能够执行更加复杂的感知、交互、识别等任务。比如,从各种气味中辨别出有毒气体的味道,及时作出警报;记录和报告温度、压力、波高、声学和海潮等的数据,以此来监测世界范围内的供水状况等。

  如很多科幻片中所描述的那样,“达尔文”将成为人类的亲密伙伴,拥有人类的思想,又具备人类做不到的数据处理等超级能力。

  据了解,现在国际上领先的SNN类脑芯片研究成果是IBM公司在美国国防部高级研究计划局(DARPA)支持下研发的TrueNorth芯片,采用了更为先进的工艺,单个芯片上支持100万个神经元。目前,TrueNorth芯片属于禁运的高科技产品。“我们的工作正是在追踪这一国际前沿,研发拥有自主知识产权的SNN类脑芯片”,马德说。

  马德博士,是我校电子信息学院射频电路与系统教育部重点实验室成员,主要研究方向为片上系统芯片设计(SOC)、神经网络计算。(校新闻中心)